ダウンズ法は、溶融NaClをダウンズセルと呼ばれる特殊な装置で電気分解し、金属ナトリウムを商業的に製造する電気化学的方法である。ダウンズセルは、アメリカの化学者ジェームズ・クロイド・ダウンズ（1885–1957）によって1923年に発明され（特許取得：1924年）、1924年に特許が取得された。[1] [2]
手術
ダウンセルは、炭素 陽極と鉄 陰極を使用し、溶融塩化ナトリウムを電解質として用います。固体の塩化ナトリウムは電気伝導性が低いですが、溶融するとナトリウムイオンと塩化物イオンが移動します。これらが電荷キャリアとなり、電流を伝導します。
電解液を液体に保つために必要な温度を下げるため、塩化カルシウムやバリウム (BaCl 2 ) とストロンチウム (SrCl 2 ) の塩化物、また一部のプロセスではフッ化ナトリウム (NaF) [3] が電解液に添加されます。塩化ナトリウム( NaCl )の融点は801 ° C ( 1074ケルビン)ですが、重量比で NaCl 33.2%、CaCl 2 66.8% の混合物であれば、塩の混合物は 600 °C という低温でも液体を保つことができます。純粋な塩化ナトリウムを使用すると、溶融 NaCl 中に分離できない金属ナトリウムエマルジョンが形成されます。そのため、NaCl (42%) と CaCl 2 (58%) の混合物を使用するのが 1 つの選択肢です。
陽極反応は次のようになります。
- 2Cl − → Cl 2 (g) + 2e −
カソード反応は次のようになります。
- 2Na + + 2e − → 2Na (l)
全体的な反応としては
- 2Na + + 2Cl − → 2Na (l) + Cl 2 (g)
カルシウムの還元電位はナトリウムよりも低いため（-2.87ボルト、ナトリウムは-2.38ボルト）、カルシウムは反応せず、ナトリウムイオンが還元されます。[4]ナトリウムイオンが存在しない場合は、陰極生成物として金属カルシウムが生成されます（実際、金属カルシウムはこのように生成されます）。
電気分解の生成物である金属ナトリウムと塩素ガスはどちらも電解液よりも密度が低いため、表面に浮上します。セル内には、生成物同士が接触するのを防ぐため、穴の開いた鉄製のバッフルが設置されており、これらの生成物を別々のチャンバーに導きます。[5]
理論上は4.07ボルト強の電位で反応が進行するはずですが、実際には、電解質固有の電気抵抗にもかかわらず、有効な電流密度を得るために最大8ボルトの電位が使用されます。過電圧とそれに伴う抵抗加熱によって追加の熱も供給され、電解質の溶融状態を維持するのに役立ちます。
ダウンズ法では副産物として塩素も生成されますが、この方法で生成される塩素は他の方法で工業的に生成される塩素のごく一部にすぎません。 [5]
参考文献
- ^ Downs, James Hamzs「電解プロセスとセル」、Wayback Machineで2018年7月25日にアーカイブ。米国特許番号1,501,756（出願日: 1922年8月18日、発行日: 1924年7月15日）。
- ^ Hardie, DWF (1959).塩からの化学薬品の電解製造. オックスフォード大学出版局, イギリス. pp. 14, 65.
- ^ Keppler, Stephen John; Messing, Thomas A.; Proulx, Kevin Bernard; Jain, Davendra Kumar (2001-05-18). 「アルカリ金属の溶融塩電気分解、米国特許6669836」2010年7月17日閲覧。[永久リンク切れ]
- ^ 「電解採取によるナトリウム製造」corrosion-doctors.org . 2007年12月20日閲覧。
- ^ ab ポーリング、ライナス『一般化学』、1970年版、ドーバー出版、pp 539-540
